嵌入式車牌識(shí)別系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

摘要：基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320VC5416和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的嵌入式車牌識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，利用視頻處理芯片SAA7111作為視頻A／D，在CPLD的控制下將采集到的圖像數(shù)據(jù)寫入幀存儲(chǔ)器中，DSP對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。采用“乒乓”存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的采集和處理的并行運(yùn)行。識(shí)別結(jié)果通過(guò)串口傳到上位機(jī)或者保存在E2PROM中，實(shí)現(xiàn)了車牌識(shí)別系統(tǒng)脫機(jī)、聯(lián)機(jī)工作，在實(shí)時(shí)高速圖像處理系統(tǒng)中有廣泛的工程技術(shù)應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：圖像采集；SAA7111；乒乓存儲(chǔ)；車牌識(shí)別

汽車牌照的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在公共安全、交通管理、軍事等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。一般車牌識(shí)別系統(tǒng)多基于攝像機(jī)一圖像采集卡一計(jì)算機(jī)，圖像理解和處理算法全部以軟件方式實(shí)現(xiàn)。這種計(jì)算機(jī)參與大量工作的系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合受到很大限制，室外惡劣復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用極為不便。隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器不斷更新及其處理能力不斷的提高和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，使嵌入式圖像采集處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。為此提出了一種基于通用DSP和CPLD的嵌入式車牌識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車牌的實(shí)時(shí)識(shí)別，可脫機(jī)(計(jì)算機(jī))工作，也可與PC機(jī)相連接，將識(shí)別結(jié)果傳給PC機(jī)，PC機(jī)只需要完成后期管理而不需要進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。在實(shí)時(shí)高速圖像處理系統(tǒng)中(汽車牌照自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、流水線產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控等領(lǐng)域)有廣泛的工程技術(shù)應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)功能
視頻A／D在DSP的控制下將攝像頭拍攝到的包含車牌信息的視頻圖像轉(zhuǎn)換為固定格式的數(shù)字信號(hào)，在CPLD的控制下存儲(chǔ)為512×512的圖像到幀存儲(chǔ)器組中，DSP對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別處理，將識(shí)別到的車牌號(hào)碼保存，結(jié)果可以保存在E2POM中，適用于脫機(jī)運(yùn)行，或者保存在內(nèi)部緩存中，然后實(shí)時(shí)地通過(guò)串口將識(shí)別結(jié)果傳到PC機(jī)中進(jìn)行后期管理。其中幀存儲(chǔ)器組采用兩片SRAM，存儲(chǔ)器SRAM1和SRAM2組成乒乓存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)字圖像和供DSP讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理，兩組存儲(chǔ)器輪換存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集和處理的并行運(yùn)行?？偩€的切換控制機(jī)制、前端視頻數(shù)據(jù)采集的控制單元在CPLD內(nèi)完成，系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 DSP單元
DSP器件是該識(shí)別系統(tǒng)的處理核心。對(duì)于該車牌識(shí)別系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，實(shí)際是對(duì)每一幀圖像(可看作是靜態(tài)圖像)進(jìn)行識(shí)別處理，同時(shí)所處理的圖像占內(nèi)存容量很大。因此這對(duì)DSP的尋址能力以及片內(nèi)快速RAM的容量有很大的要求，綜合考慮需要滿足的系統(tǒng)性能要求和成本，采用TI的TMS 320C5416，該芯片具有6．25 ns的指令周期，具有128K×16 b的片內(nèi)RAM，能夠?qū)ぶ房偣?M×16 b的存儲(chǔ)空間，具有3個(gè)可作為通用I／O口的多通道緩沖串行口，可用于對(duì)視頻A／D的控制和E2PROM的對(duì)寫。該芯片完全能夠完成所要求的工作，而且具有很高的性價(jià)比。
2．2 視頻輸入接口
本文研究的采集識(shí)別系統(tǒng)首先是要對(duì)前端攝像機(jī)所輸出的全電視信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，得到量化精度為8位的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。而全電視信號(hào)中除了包含圖像信號(hào)之外，還包括了行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、場(chǎng)消隱信號(hào)以及槽脈沖信號(hào)、前均衡脈沖、后均衡脈沖等，而且還存在不同的圖像制式。傳統(tǒng)的電視信號(hào)的解碼采用模擬的方法設(shè)計(jì)制造復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy。Philips公司的SAA7111A將這些非常復(fù)雜的視頻A／D轉(zhuǎn)換電路以及對(duì)不同制式的解碼電路集成到了一起，為視頻信號(hào)的數(shù)字化應(yīng)用提供了極大的方便。
SAA7111內(nèi)部包含2路模擬處理通道，可以選擇視頻源并可抗混疊濾波，同時(shí)還可以進(jìn)行模／數(shù)變換、自動(dòng)嵌位、自動(dòng)增益控制、時(shí)鐘產(chǎn)生、多制式解碼等，另外還可對(duì)亮度、對(duì)比度和飽和度進(jìn)行控制。SAA7111芯片中的場(chǎng)同步信號(hào)VREF、行同步信號(hào)HREF、奇偶場(chǎng)信號(hào)ODD、像素時(shí)鐘信號(hào)CREF都由管腳直接引出，從而省去了以往時(shí)鐘同步電路的設(shè)計(jì)，其可靠性也大大提高。SAA7111可輸出多種格式的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用CCIR601的16位格式(Y：U：V=4：2：2)，即輸出的16位總線的高8位總線輸出亮度信號(hào)，低8位總線輸出色度信號(hào)。SAA7111的功能控制是由I2C總線控制的，本系統(tǒng)使用DSP的McBSP，工作在通用I／O的方式，模擬I2C總線時(shí)序，完成對(duì)SAA7111的在線控制。
2．3 視頻數(shù)據(jù)控制接口
視頻數(shù)據(jù)控制接口是整個(gè)圖像采集系統(tǒng)的控制核心，其控制著幀存儲(chǔ)器的地址，對(duì)采樣的控制以及幀存儲(chǔ)器的切換以及與SAA7111，DSP之間的接口。主要根據(jù)SAA7111輸出的同步信號(hào)產(chǎn)生幀存器的地址信號(hào)和讀寫、片選等控制信號(hào)。系統(tǒng)采集的圖像大小為512×512像素。SAA7 111 PAL制式的圖像分辨率為720×572，因此采集時(shí)要斬頭去尾，以避開(kāi)場(chǎng)消隱信號(hào)、行消隱信號(hào)和部分有效圖像信號(hào)，只采集整個(gè)有效圖像的中間部分。SAA7111輸出時(shí)鐘信號(hào)包括CREF，LLC和LLC2，其中CREF可作為像素同步時(shí)鐘頻率13．5 MHz，用來(lái)作為地址發(fā)生器的時(shí)鐘；HREF為行同步信號(hào)，其高電平表示一行有效像素，為720個(gè)CREF周期；VREF為場(chǎng)同步信號(hào)，其低電平表示場(chǎng)消隱信號(hào)，為26行，高電平為有效圖像信號(hào)，單場(chǎng)為286行；ODD為奇偶場(chǎng)標(biāo)志信號(hào)，ODD=1為奇數(shù)場(chǎng)，ODD=0為偶數(shù)場(chǎng)。

圖2為一行圖像采集和一場(chǎng)(奇場(chǎng))圖像采集時(shí)的同步信號(hào)時(shí)序圖。HREF作為無(wú)效行和有效行計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)，通過(guò)在行有效期間對(duì)CREF進(jìn)行計(jì)數(shù)，在中間512個(gè)時(shí)鐘內(nèi)使能地址發(fā)生器的遞增。在VREF信號(hào)的上升沿，對(duì)HREF進(jìn)行計(jì)數(shù)，每場(chǎng)有效圖像的前4行，加上每場(chǎng)的26行消隱信號(hào)，視為無(wú)效圖像信號(hào)，在無(wú)效信號(hào)之后的256行，圖像信號(hào)為有效采集圖像信號(hào)，視頻轉(zhuǎn)換接口控制這256行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。采集完256行，等待下一個(gè)場(chǎng)同步信號(hào)的到來(lái)，按同樣方式對(duì)偶場(chǎng)圖像進(jìn)行采集。以上工作都由CPLD來(lái)完成。
2．4 幀存儲(chǔ)器
車牌識(shí)別系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，為此本系統(tǒng)的幀存儲(chǔ)器采用兩級(jí)存儲(chǔ)器乒乓存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)，使前端采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和后端DSP處理數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行。同時(shí)每一級(jí)存儲(chǔ)器中將奇偶場(chǎng)分開(kāi)存儲(chǔ)，以便在高速運(yùn)動(dòng)車輛進(jìn)行識(shí)別的場(chǎng)合只取其中一場(chǎng)進(jìn)行處理，幀存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

整個(gè)幀存儲(chǔ)器組的工作過(guò)程如下：系統(tǒng)初始化完成后由DSP啟動(dòng)前端采集，此時(shí)SAA7111的數(shù)據(jù)輸出(VPO)與SRAM1的數(shù)據(jù)總線(DB1)連通，地址發(fā)生器產(chǎn)生地址總線(AGB)控制SRAM1的地址總線(AB1)，將采集到的數(shù)據(jù)依次保存在SRAM1中；同時(shí)DSP數(shù)據(jù)總線(DDB)與SRAM2的數(shù)據(jù)總線(DB2)連通，DSP的地址總線(DDB)控制SRAM2的地址總線(AB2)，使SRAM2處在DSP的存儲(chǔ)器空間中，以省去數(shù)據(jù)傳輸，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
當(dāng)一幀圖像采集完成后，總線切換邏輯進(jìn)行總線切換，使總線連接關(guān)系轉(zhuǎn)換到如下連接關(guān)系：DAB-AB1，DDB-DB1，VPO-DB2，AGB-AB2，完成總線的切換，此時(shí)SRAM1處在DSP的存儲(chǔ)器空間中，由DSP對(duì)SRAM1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別處理，前端采集到的數(shù)據(jù)在視頻數(shù)據(jù)控制接口的控制下存放到SRAM2中。整個(gè)系統(tǒng)在DSP處理完當(dāng)前幀數(shù)據(jù)和前端另一幀數(shù)據(jù)采集完畢后就進(jìn)行總線切換。

在本系統(tǒng)中，所采用的CCIR601格式的數(shù)據(jù)的一幀圖像容量大小為512×512×2×8b=256K×16b。所以，本系統(tǒng)采用兩片CY7C1041(256K× 16 b)作為幀存儲(chǔ)器SRAMl和SRAM2，在CPLD的控制下，分別將亮度信號(hào)和色度信號(hào)放在數(shù)據(jù)的高8位和低8位，奇偶場(chǎng)數(shù)據(jù)分別放在存儲(chǔ)器的高、低地址段，存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式如圖4所示。系統(tǒng)的總線控制邏輯和地址發(fā)生器都在CPLD中實(shí)現(xiàn)。
2．5 串行通信接口及E2PROM存儲(chǔ)器
本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)DSP進(jìn)行擴(kuò)展異步串口，完成向計(jì)算機(jī)傳送識(shí)別結(jié)果。TI公司的TL16C550是一種可由軟件設(shè)定16 B或64 B的FIFO，最高可達(dá)1 Mb／s的波特率(波特率可編程)，具有可編程串行數(shù)據(jù)發(fā)送格式的異步串行通信芯片，可以很方便地與DSP接口。本設(shè)計(jì)就是采用異步通信芯片來(lái)擴(kuò)展5416的串口，然后通過(guò)MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換完成與PC機(jī)串口的通信。接口電路如圖5所示。

E2PROM主要完成對(duì)識(shí)別車牌號(hào)碼進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的脫機(jī)運(yùn)行功能。E2PROM采用Microchip的24FC512，其具有64K×8 b存儲(chǔ)空間，即可以存儲(chǔ)約8 000個(gè)車牌記錄，利用I2C接口與主機(jī)進(jìn)行通信，本系統(tǒng)通過(guò)將DSP的串口McBSP1設(shè)置成通用I／O口模擬I2C總線完成對(duì)24FC512的數(shù)據(jù)讀寫。

3 結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)針對(duì)車牌識(shí)別系統(tǒng)的特點(diǎn)采用CPLD與DSP相結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高速實(shí)時(shí)的嵌入式車牌識(shí)別硬件系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用兩幀輪換存儲(chǔ)的方式，消除了DSP的等待時(shí)間，使采集系統(tǒng)和處理系統(tǒng)可以獨(dú)立工作；圖像存儲(chǔ)器直接映射到DSP的內(nèi)存空間，使DSP可以直接對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，為實(shí)時(shí)圖像處理節(jié)省了時(shí)間。該系統(tǒng)采用大規(guī)模集成芯片SAA 7111A和CPLD，使系統(tǒng)集成度高，可靠性好，成本低，速度快，接口方便，并且可修改及重復(fù)編程，也可用于其他的高速實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)。